基于自适应起落架的旋翼飞行器着陆稳定性分析.pdf

引用格式:梁伟华朱赫尹乔之等.基于自适应起落架的旋翼飞行器着陆稳定性分析.航空计算技术():.():.基于自适应起落架的旋翼飞行器着陆稳定性分析梁伟华朱 赫尹乔之周 乐魏小辉聂 宏(南京航空航天大学江苏 南京)摘 要:传统起落架在复杂地形条件下存在着陆困难的问题而自适应起降装置的引入能够有效提高旋翼飞行器的地形适应能力但其着陆稳定性分析也变得更加复杂 当旋翼飞行器在着陆过程中姿态倾斜较大时存在严重的安全隐患 因此采用了一种应用于旋翼飞行器的新型自适应起落架建立了其着陆动力学模型并综合考虑了地况、飞行器着陆位姿状态、足端 地面摩擦力以及着陆速度等的影响 通过 进行全机着陆动力学仿真试验得到了该构型自适应起降飞行器在不同速度和坡角条件下的着陆稳定边界 结果表明:相较于传统起落架自适应起落架使旋翼飞行器可适应的地形坡角增大了 着陆稳定边界扩大了 有效提高了旋翼飞行器的地形适应能力和着陆稳定性关键词:着陆稳定性旋翼飞行器自适应起落架着陆动力学仿真试验中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.:引言与传统起落架相比自适应起落架可以根据地形条件进行自主调整使得旋翼飞行器能够在更为复杂的地形条件下完成起降任务从而提高旋翼飞行器对地形的适应范围 复杂的地形条件对飞行器的着陆稳定性提出了更高的要求同时着陆面的不确定性也为飞行器带来了潜在的风险例如机体与地面碰撞或飞行器失稳等情况 实际着陆过程中起落架会受到除了垂直方向以外的横向冲击力这使得飞行器在着陆过程中倾角发生改变严重时便会造成事故 针对此问题有必要对自适应起降飞行器在复杂地形下的着陆过程和稳定性进行分析并寻找其能够实现安全稳收稿日期:修订日期:基金项目:国家自然科学基金(、)国防卓越青年基金项目资助()江苏省自然科学基金项目资助()中 央高校基本科研业务费项目资助()江苏省卓越博士后计划项目资助()南京航空航天大学前瞻布局科研专项项目资助作者简介:梁伟华()男河北石家庄人硕士研究生第 卷 第 期航 空 计 算 技 术.年 月 .定着陆的边界条件自适应起降飞行器在复杂地形着陆的动力学行为与月球探测器的着陆有一定的相似性且已有诸多学者对此种垂直着陆飞行器的着陆动力学和稳定性进行了研究 文献提出可重复使用运载火箭着陆支腿的总体布局方案将着陆支腿的关键几何参数作为决策变量进行着陆稳定性分析从而为着陆支腿总体方案设计提供参考 文献提出了一种无人直升机仿生腿式六足起落架系统并通过所设计的控制算法实现自适应着陆以及平稳缓冲 文献 提出了着陆安全查找表和着陆安全评估方法 文献采用能量法进行月球着陆器的稳定性分析判断飞行器是否发生翻倒从而进行着陆腿的整体方案设计 文献提出了一种基于碰撞后速度的着陆稳定性判别方法结果表明该判别方法较能量法更为精确 文献 采用动力学仿真法对四腿式火箭垂直着陆过程进行了研究给出了不同着陆条件下速度的稳定边界 与上述垂直着陆飞行器相比自适应起落架可以根据地形条件进行姿态调整因此不需过于考虑着陆形式、姿态角度等因素对其着陆稳定性的影响针对需要在复杂地形条件下起降的旋翼飞行器本文采用了一种新型仿生四足自适应起落架建立了着陆动力学模型并对其着陆稳定性进行了研究 自适应起降飞行器着陆动力学建模.仿生四足自适应起降飞行器结构本文采用一种具有仿生四足结构的自适应起降飞行器为研究对象如图 所示该构型自适应起落架通过驱动电机为每条着陆腿增加一个自由度从而实现对不同地形的主动适应功能 机身采用六旋翼构型包括机架、电机以及桨叶仿生着陆腿以平行四边形为主要结构形式包括驱动电机、连接臂、减震器和足垫 其中每条单腿重约.自适应飞行器总重约 图 仿生四足自适应起降飞行器结构示意图此外为了验证上述自适应起落架是否能够有效提升旋翼飞行器的着陆稳定性搭建了某型固定式起落架模型进行对比如图 所示图 采用固定式起落架的旋翼飞行器结构.着陆动力学建模自适应起降飞行器的着陆动力学模型如图 所示图 着陆动力学模型示意图地面坐标系下飞行器位置及状态参数如下:()式中表示飞行器质心位置 表示机体系与地面系间的欧拉角 通过分析着陆时飞行器受力情况得到系统的动力学方程如下:()式中 为机体绕、轴的转动惯量 为重力矢量表示机体质心到着陆腿足端的矢量是每个触地足端所受到的着陆冲击力其具体表达形式如下:()对于多体碰撞过程中的摩擦问题有诸多数学模型如库伦摩擦模型、库伦 粘性摩擦模型以及 模型等 本文采用 模型进行描述该模型根据相对运动速度确定非线性摩擦力其方向与地面平行且和相对速度方向相反 对于地面作用与足端的法向力本文采用 接触力模型进行描述冲击方向垂直于着陆面向上 具体表示为:年 月梁伟华 等:基于自适应起落架的旋翼飞行器着陆稳定性分析 ()/()()()式中、分别为碰撞摩擦力及法向力 为相对速度 为刚度系数 为阻尼系数 为相对变形量、是与静摩擦系数、动摩擦系数等有关的常量自适应着陆腿结构中设有减震器从而达到着陆缓冲的效果 通过弹簧阻尼模型对其进行描述表达为:()式中为弹簧刚度系数为阻尼系数 为减震器压缩行程 仿真试验及稳定性分析基于传统固定式起落架和仿生四足自适应起落架的结构在 中分别搭建了着陆动力学模型对不同初始条件下的着陆过程进行了仿真试验和分析.全机着陆动力学仿真试验针对传统固定式起落架在 赋予各结构件物理属性以及初始条件 由于所使用的地面模型相对于机体坐标系下的 平面对称因此落震过程主要引起机体滚转角的变化 选取 种着陆条件进行仿真试验:设置地面倾角为 初始姿态角为 着陆触地时的垂直速度为 /水平速度分别为./、./和./通过着陆动力学仿真试验得到基于固定式起落架的机体滚转角速度变化曲线如图 所示图 基于固定式起落架的机体滚转角速度变化曲线根据滚转角速度随时间变化曲线图可以看出在 种初始条件下机体滚转角速度在着陆触地过程中均有较大范围的变化之后分别在.、.、.后趋于稳定针对仿生四足自适应起落架在 中赋予各结构件物理属性以及初始条件并将着陆腿设置为地形自适应状态再次通过仿真试验得到基于自适应起落架的机体滚转角速度变化曲线如图 所示图 基于自适应起落架的机体滚转角速度变化曲线通过对比发现基于自适应起落架的机体滚转角速度在.、.、.后趋于稳定相较于固定式起落架其着陆过程速度波动较小且能够更快恢复平稳状态.着陆稳定性分析在着陆过程中当地面坐标系下机体着陆速度()时着陆腿触地时的相对运动趋势为沿斜坡向上作用在足端的摩擦力 沿斜坡向下法向力 垂直于地面向上机体受力形式:()()()()在上述情况下由于地面的支反力对机体质心产生较大的冲量其中 当着陆横向速度和坡角较大时产生的冲量矩大于 的冲量矩这使得 并引起机体绕 轴的转动趋势 这一趋势将使机体以、号足端为支点进行滚转、号足端离开地面产生绕 轴的滚转角速度 随着产生的冲量矩不断减小在某一时刻 此时滚转角速度达到极值此后相对于、号足端的重力使机体产生负的滚转角加速度从而减小滚转角速度并缓慢将滚转角增加到一个极值此时飞行器处于最不稳定的时刻当斜坡倾角 一定时随着水平速度的绝对值增大机体滚转造成、号足端离开地面的角速度增大落地前的滚转角速度极值和滚转角极值同样增大进而更有可能导致飞行器失稳 因此有必要对飞行器的失稳条件进行分析找到能够满足其安全着陆的稳定边界 着陆稳定边界基于上述结构和着陆动力学模型通过循环改变 航 空 计 算 技 术 第 卷第 期地形坡角以及着陆横向速度探究在不同地况和初始条件下的着陆稳定边界 由于本文所研究的自适应飞行器结构尺寸和着陆腿调节限制其可适应的最大地形坡角为 且正负地形坡角具有对称性因此将坡角范围设置为 设置垂直速度大小为 /模拟飞行器在离地.高度处落震的情况设置横向速度范围 /模拟飞行器在侧风影响下可能存在水平速度的着陆情况 同时与传统固定式起落架进行对比得到在不同横向度和坡角影响下的着陆稳定边界如图 所示图 基于着陆横向速度和坡角的着陆稳定边界自适应起落架的着陆稳定边界主要由上下两条稳定边界以及右侧的结构限制边界组成 中间部分为着陆稳定区域表明在该区域所对应的地形坡角以及横向速度条件下所研究构型的自适应飞行器能够安全稳定着陆 在结构限制区域飞行器受到着陆腿姿态调节极限的影响不能在该地形条件下实现自适应着陆 作为对比传统固定式起落架的着陆稳定边界在图 中用虚线表示其左侧区域表示飞行器能够在相应条件下实现安全稳定着陆 着陆稳定边界部分参数对比如表 所示通过表 可得到如下结论:自适应起落架的引入使得该构型旋翼飞行器可进行着陆的最大坡角增加了着陆稳定域扩大了 从而验证了上述构型的自适应起落架能够有效提高旋翼飞行器的地形适应能力和着陆稳定性表 关键参数对比表参数自适应固定式最大地面坡角/()最大速度边界/(/).稳定域面积/(/).结论为满足旋翼飞行器在复杂环境下的着陆要求本文采用了一种新型四足仿生自适应起落架构型并搭建了着陆动力学模型对其进行了全机着陆动力学仿真试验 得到以下结论:)自适应起落架能够有效提高旋翼飞行器在复杂地形条件下的适应能力和稳定着陆能力)自适应起落架的引入能够有效减小旋翼飞行器在着陆过程中的角速度波动并使其能够更快速地恢复平稳状态)相较于传统固定式起落架自适应起落架可适应的地形坡角增大了)相较于传统固定式起落架自适应起落架使旋翼飞行器的着陆稳定边界扩大了 此外本文在研究过程对足端 地面摩擦力、着陆缓冲、横向着陆速度以及地形坡角的影响等进行了综合考虑为自适应起降旋翼飞行器着陆稳定性研究提供了一种新的研究方法参考文献:汪融翟海涛王梓尧等.可重复使用运载火箭着陆支腿总体布局与关键参数优化.宇航学报():.刘昊林刘小川任佳等.无人直升机六足式起落架设计与控制算法.中国机械工程():.:.:.:.杨建中曾福明满剑锋等.嫦娥三号着陆器着陆缓冲系统设计与验证.中国科学:技术科学():.袁晗王小军张宏剑等.重复使用火箭着陆结构稳定性分析.力学学报():.陶海峰.垂直起降重复使用运载器软着陆系统研究.南京:南京航空航天大学.岳帅聂宏张明等.一种用于垂直降落重复使用运载器的缓冲器性能分析.宇航学报():.刘丽兰刘宏昭吴子英等.机械系统中摩擦模型的研究进展.力学进展():.:.年 月梁伟华 等:基于自适应起落架的旋翼飞行器着陆稳定性分析